[논문 리뷰] Realization of a Tunable Artificial Atom at a Charged Vacancy in Graphene

Jinhai Mao, Yuhang Jiang외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 31.

Graphene research and applications참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 가변 전압을 가진 STM 장치를 사용하여 양전하를 고정된 산화결함에 안정화시킴으로써 그래핀에서 조절 가능한 인공 원자를 구현한다. 전압 펄스를 가함으로써 전도 전자들이 준결합 상태를 형성하는 초임계 상태로 진입하며, 이는 산화결함 부위에서 밀도가 증가한 양자점 유사 상태를 형성한다. 이 상태는 게이트 전압에 의해 조절 가능하다.

ABSTRACT

Graphene's remarkable electronic properties have fueled the vision of a graphene-based platform for lighter, faster and smarter electronics and computing applications. But progress towards this goal was stalled by the inability to confine its charge carriers with electrostatic potentials. Here we report on a technique to stably host and controllably modify a localized charge state in graphene. Using a vacancy in a gated graphene device we demonstrate that it is possible to deposit positive charge at the vacancy site and to build it up gradually by applying voltage pulses with the tip of a scanning tunneling microscope (STM). As the charge increases, its interaction with the conduction electrons in graphene undergoes a transition into a supercritical regime. In this regime itinerant electrons can be trapped in a sequence of quasi-bound states which resemble an artificial atom. The quasi-bound electron-states are detected by a strong enhancement of the density of states (DOS) within a disc centered on the vacancy site which is surrounded by halo of hole states. We further show that the quasi-bound states at the vacancy site are gate tunable and that the trapping mechanism can be turned on and off, providing a new paradigm to control and guide electrons in graphene.

연구 동기 및 목표

• 전기적 잠금을 통해 그래핀 내 전하 운반자의 국소화 문제를 해결하기 위해.
• 가열된 그래핀 장치에서 산화결함 부위에 국소화된 전하 상태를 안정화하기 위해.
• 준결합 전자 상태의 제어 가능한 형성을 인공 원자 유사 상태로 보여주기 위해.
• 미래의 양자 장치 응용을 위한 포획 메커니즘의 게이트 조절 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 가열된 장치에서 그래핀 산화결함에 STM 터치를 사용해 전압 펄스를 인가한다.
• 산화결함 부위의 전하 상태를 조절하기 위해 전기적 게이팅을 통해 패피 수준을 제어한다.
• 준결합 상태를 탐지하기 위해 국소 밀도 상태(DOS) 측정을 스캐닝 터널링 분광법으로 수행한다.
• 전자-산화결함 상호작용이 결합 상태를 유도하는 초임계 상태로의 전이를 관찰한다.
• 밀도 상태의 공간 분포를 분석하여 중심에 강한 상태가 있는 디스크와 그 주변에 정공 유사 상태로 이루어진 환형 구조를 식별한다.
• 게이트 전압 조절을 통해 포획 메커니즘의 케이스/오프 전환을 가역적으로 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀의 산화결함에 안정적이고 제어 가능한 국소 전하 상태를 만들 수 있는가?
• RQ2 산화결함의 전하가 증가하면 그래핀에서 준결합 전자 상태가 형성되는가?
• RQ3 유도된 준결합 상태는 게이트 전압을 통해 전기적으로 조절 가능한가?
• RQ4 가열된 산화결함 부위 주변의 밀도 상태의 공간적 및 에너지적 구조는 어떠한가?
• RQ5 전자 포획 메커니즘은 가역적으로 케이스/오프로 전환 가능한가?

주요 결과

• STM 터치의 전압 펄스를 사용하여 그래핀 산화결함에 안정적이고 제어 가능한 양전하를 도핑한다.
• 전하가 증가함에 따라 이동 전자들이 준결합 상태를 형성하는 초임계 상태로 진입한다.
• 산화결함 부위에서 국소 밀도 상태(DOS)가 강하게 증가하며 중심에 디스크 형태의 강한 상태가 형성되고 주변으로 정공 유사 상태로 이루어진 환형 구조가 나타난다.
• 준결합 상태는 게이트 전압에 의해 조절 가능하여 전자 포획 위치의 동적 제어가 가능하다.
• 게이트 전압 조절을 통해 포획 메커니즘이 가역적으로 케이스/오프로 전환된다.
• 전자 구조가 조절 가능한 인공 원자의 특성을 보이며, 향후 양자 전자공학 분야의 응용 가능성을 열어 놓는다.